張 志,管志超,王少軍
1.中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院,武漢 430074 2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室,武漢 430079 3.中國地質大學(武漢)公共管理學院,武漢 430074
遙感對地觀測從宏觀到微觀、從定性到定量逐步提升,在可見光-近紅外譜段出現了許多高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率的影像數據,在資源勘查、礦物填圖、環(huán)境污染監(jiān)測等領域發(fā)揮了重大作用。隨著ASTER數據的廣泛應用,其在巖石礦物提取方面的優(yōu)勢逐漸顯現[1]。造巖礦物如長石和石英,在可見光-近紅外譜段沒有明顯的吸收特征[2],而在熱紅外范圍卻具有特征譜帶[3],且在巖石光譜上也可表現出來[4]。因此,利用ASTER TIR熱紅外可對干旱地區(qū)裸露的巖石進行礦物信息提取和巖石地層劃分,最終實現區(qū)域構造分析的目的。
Christensen等[5]認為熱紅外遙感能夠探測SinOk、SO42-、CO32-、PO43-等原子基團基頻振動特征,以此識別硅酸鹽(包括不含水造巖礦物)、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物、氫氧化物等礦物,這大大拓寬了遙感礦物識別大類與礦物種屬。Ninomiya等[6-7]采用ASTER TIR數據對帕米爾東北緣地區(qū)的巖性進行了識別,針對ASTER TIR譜域定義了石英、碳酸鹽和硅酸鹽等礦物指數,分別識別了石英質沉積巖、碳酸鹽類巖石和硅酸鹽類巖石,不同的指數圖像反映了巖石中不同礦物含量的相對豐度。閆柏琨[8]采用ASTER TIRB12與B13的比值反演了裸露巖石中的SiO2含量,與實際吻合較好。
近年來,根據巖石樣品實測光譜結合遙感影像進行巖性劃分有了較大發(fā)展[9-10]。Rowan等[11]根據實驗室各種礦物的發(fā)射率光譜曲線,采用ASTER TIR去相關和光譜角分類等方法,對美國加州帕斯山地區(qū)進行巖性劃分,認為熱紅外發(fā)射率數據完善了光譜反射率的分類,特別是可以很好地對含石英質的巖石進行提?。煌瑯拥姆椒ㄔ诎拇罄麃啽鳖I地的一處超基性巖[12]中也得以驗證。鄭碩等[13]利用巖石樣品的光譜特征,根據ASTER SWIR-TIR波段比值組合進行彩色合成,在克拉瑪依地區(qū)成功地劃分出了花崗巖、二長花崗巖、花崗閃長巖和堿長花崗巖,證明了TIR對花崗巖有較強的識別能力。
本文在野外調查的基礎上采集了相關巖石樣品,通過巖石熱紅外光譜測試和發(fā)射光譜曲線分析,選擇來自EROS數據中心、由Gillespie[14]溫度-發(fā)射率分離算法所得的ASTER標準發(fā)射率產品數據AST_05,建立適用于阿克蘇地區(qū)的熱紅外礦物指數。根據礦物指數劃分結果,對阿克蘇藍片巖進行初步解體,獲取了不同巖石地層單元的空間分布信息。
阿克蘇地處塔克拉瑪干沙漠西北,屬于南天山華力西造山帶南緣及塔里木板塊西北緣的柯坪斷隆內。阿克蘇藍片巖被劃為中元古界長城系阿克蘇群,其上被震旦系蘇蓋特布拉克組紅色砂巖角度不整合覆蓋,如圖1所示。前人[15]認為阿克蘇群整體呈NE—SW方向分布,長約30 km,寬約10 km,地勢起伏不平,海拔1 200~1 800 m。該地區(qū)巖石裸露,植被覆蓋少。
阿克蘇群內部褶皺變形強烈,巖層內部多片理化,形成了藍片巖、多硅白云母片巖、綠泥石片巖及少量石英巖和變鐵質巖等,地質體被10多條NW—SE向輝綠巖脈所切割[16]。張立飛等[15]認為,阿克蘇藍片巖由北向南,巖性大致由變基性火山巖夾基性藍片巖向長英質藍片巖變化。在南東向,長英質藍片巖出露層厚2~3 km不等,白云母片巖地層和變基性火山巖夾基性藍片巖地層都很薄。北西向,主要是變基性火山巖夾基性藍片巖地層,其中也有長英質藍片巖與之互層。所以,阿克蘇群變質巖的原巖由長石砂巖、巖屑長石砂巖與基性火山巖不均勻互層夾硅質巖薄層等巖石組成。
據文獻[15]修改。圖1 阿克蘇藍片巖地質簡圖Fig.1 Geological sketch of Akesu blueschist
野外詳細觀察了阿克蘇藍片巖地質體及巖墻,采集了21塊巖石樣品,樣品分布如圖2所示。室內對樣品進行薄片鑒定并利用傅里葉變換熱紅外光譜儀FTIR進行了熱紅外光譜測試。
理論上,FTIR鏡頭入瞳處接收的熱紅外輻射包括3個部分:第一部分是巖石樣品自身的熱紅外輻射;第二部分是太陽、周邊物體、大氣的熱輻射入射到巖石表面,經巖石表面反射到鏡頭中的輻射;第三部分是巖石樣品與鏡頭之間大氣的輻射。公式如下:
(1)
(2)
圖2 阿克蘇藍片巖ASTER假彩色合成影像及樣品分布圖Fig.2 ASTER false color composite image of Akesu blueschist and sample distribution
阿克蘇藍片巖地區(qū)以造巖礦物硅酸鹽類變質巖為主,礦物內部Si—O鍵的不對稱伸縮振動導致其最強吸收位置位于熱紅外8~12 μm處。因此在光譜特征的解釋上,許多問題可以歸結于造巖礦物的貢獻[17],可用殘余輻射譜帶特征(restrahlen features, RF)來描述波譜曲線強吸收的位置,如圖3所示。野外獲取的巖石樣品主要為以下3類:白云母石英片巖類(包括白云母石英片巖與二長白云母石英片巖)、綠泥綠簾片巖類(與圖1中變基性火山巖夾基性藍片巖對應)和輝綠巖類(與圖1基性巖脈對應),對這些樣品的光譜曲線分析如下。
圖3 不同類型樣品的實測發(fā)射光譜曲線及RF特征位置Fig.3 Emission spectrum curve measured and its RF position of different samples
2.2.1 白云母石英片巖類
主要分布于藍片巖西北部(圖2中樣品2、4、7、13)、東南部(樣品37)和東北部(樣品57),包括白云母石英片巖和二長白云母石英片巖等長英質巖石類型。實測結果顯示:白云母石英片巖類RF位于波長8.55、9.16和9.6 μm處,與石英的RF位置對應,均處于熱紅外波段的較短波長處[11],但其RF值的發(fā)射率是逐漸降低的,與石英RF值趨勢不一致;二長白云母石英片巖與白云母石英片巖曲線形狀基本一致,區(qū)別在于前者在波長8.55和9.16 μm處RF值的發(fā)射率較高,并且波長大于10 μm的曲線上升較慢。野外調查發(fā)現:片巖中多硅白云母條帶與石英條帶呈現出厘米、毫米尺度上的互層,這顯示出原巖成分為泥巖與石英砂巖互層的韻律變化,與前人[18]觀察近于一致。
2.2.2 綠泥綠簾片巖類
主要分布于藍片巖西北部(樣品8、9、11、12)和東北部(樣品59),其發(fā)射率整體較高。根據樣品光譜曲線,綠泥綠簾片巖類RF位于波長9.60、10.50和11.66 μm處。主要礦物組成為綠簾石和綠泥石,綠簾石屬于島狀硅酸鹽,晶體結構中硅氧四面體的對稱性低,譜帶多,導致硅酸鹽礦物RF位置會隨著硅氧四面體孤立性的增加,即聚合度的降低,相對石英特征光譜向長波方向移動[19],測試結果與Lyon等[2]的測試結果類似。綠簾石通常為基性巖漿巖動力變質的常見礦物,綠泥石常見于低級變質巖帶中綠片巖相及低溫熱液蝕變中(綠泥石化),因此這類巖石與前人研究[15-16]中論述的變基性火山巖對應。
2.2.3 輝綠巖類
主要為NW—SE向巖墻(樣品17、42),實測結果其RF不明顯,僅在波長8.30 μm處有一個相對低的發(fā)射率,并且在波長9.60 μm處表現了微弱的石英RF。輝綠巖中基性斜長石常蝕變?yōu)殁c長石、黝簾石、綠簾石和高嶺石,輝石常蝕變?yōu)榫G泥石、角閃石和碳酸鹽類礦物,實測顯示兩者曲線形狀相近;輝綠巖缺少綠泥綠簾片巖在波長10.5和11.66 μm處的RF,可作為這兩類礦物的劃分依據。
根據采集的阿克蘇藍片巖樣品,比較白云母石英片巖、二長白云母石英片巖、輝綠巖和綠泥綠簾石英片巖4種巖石的光譜曲線(圖4a),得到重采樣后ASTER TIR光譜曲線(圖4b),并據此結果來建立礦物指數。
由圖4可知:白云母石英片巖發(fā)射波譜曲線RF特征位于ASTER TIR波段B10和B12,且前3個波段(B10--B12)的發(fā)射率低于另外3種巖石,B13和B14處的發(fā)射率明顯高于B10和B12處;而當樣品中含有長石時,由二長白云母石英片巖的光譜可知,其RF值在B10和B12有了提高。因此,通過B10、B12、B13、B14這4個波段的比值關系可以指示阿克蘇地區(qū)巖石中白云母的含量,據此建立適用于阿克蘇藍片巖的白云母指數Im:
Im=(B13·B14)/(B10·B12)。
(3)
式中B10、B12、B13、B14分別為ASTER TIR波段B10、B12、B13、B14的發(fā)射率。
對阿克蘇ASTER TIR發(fā)射率影像進行Im運算,得到白云母指數圖(圖5)。
白云母指數圖對阿克蘇藍片巖中白云母礦物的含量具有很好的指示意義。如圖5,由于阿克蘇群四周均為第四紀洪積扇,Im值越高即亮度越高,表示巖石中白云母含量越高。變質巖西北邊緣部分有一條狹長的亮色條帶,表示其存在一套白云母含量較高的巖性層,與野外采樣點2和4號所測定的絹云石英千枚巖位置對應。絹云母為白云母的亞種,且絹云母石英千枚巖與白云母石英片巖在本次熱紅外實測光譜中形狀相似,因此被歸為白云母石英片巖類。阿克蘇群中部顏色較亮,白云母含量較高,在37和57號樣品處得到驗證,指示該處變質巖原巖更偏向于泥質成因,與前人的研究成果[20]類似。對于7和13號的含長英質的白云母片巖,Im值為1左右,在Im影像中處于中間值,位于圖5中亮度居中部分。綜上所述,Im與白云母石英片巖類樣品一一對應,符合野外巖石樣品實測結果。
圖4 4種樣品的發(fā)射光譜曲線圖(a)及重采樣后發(fā)射光譜曲線圖(b)Fig.4 Four samples’ emissivity spectral curve (a) and resampled emissivity spectra curve of the samples according to the ASTER TIR (b)
圖5 藍片巖地質體Im影像圖Fig.5 Im image of blueschist geological body
相比于其他巖石,綠泥綠簾石英片巖發(fā)射光譜曲線在波長10.50 μm處突然降低,是一個明顯的RF(圖4a),其位置對應于ASTER B13。輝綠巖光譜曲線在B13處雖沒有RF,但其整體曲線變化趨勢與前者類似,而白云母石英片巖和二長白云母石英片巖發(fā)射率是隨著B12、B13、B14依次增大;考慮到輝綠巖和綠泥綠簾石英片巖原巖為基性巖,據此建立基性指數Ib(basite index):
Ib=(B12·B14)/(B13·B13)。
(4)
對阿克蘇ASTER TIR發(fā)射率影像進行Ib運算,得到巖石基性指數圖(圖6)。
圖6 藍片巖地質體Ib影像圖Fig.6 Ib image of blueschist geological body
由于基性指數可能對植被或含水地物敏感,本文僅討論影像中阿克蘇群內的情況。如圖6,Ib值越高即色調亮度越高,指示了該部分基性程度越高。在阿克蘇群西北部分可以看見幾條NE—SW走向且明暗交替分布的條帶,每一條高亮度的條帶都指示了一套基性地層,其位置與8、9、11、12和59號采樣點對應;樣品測試表明均為綠泥綠簾石英片巖,根據此圖像可以對北段進行精細的巖性劃分。輝綠巖墻在Ib圖中亮度較高,呈NW—SE向橫切基性地層,17號采樣點樣品與之對應。部分巖墻樣品(42號)在圖像上亮度和周邊巖層差異不明顯,可能是巖墻厚度小于熱紅外影像的空間分辨率所致。
圖5指示了阿克蘇群西北邊緣和中部可被劃分為呈NE—SW向的白云母石英片巖類地層。由圖6可知,阿克蘇群中西北部分的亮色條帶為NE—SW向的多套綠泥綠簾石英片巖類地層,與前人[15-16]變基性火山巖夾基性藍片巖對應。這兩類地層之間,在Ib和Im影像中顏色亮度處于中間部分的地層則多是由斜長石英片巖或者二長白云母石英片巖等組成的長英質片巖,由于缺乏更多野外巖石樣品佐證,結合前人[15]剖面資料,暫定為長英質藍片巖地層。阿克蘇南部地區(qū)同樣也有這樣一塊區(qū)域。輝綠巖脈雖然在Ib中亮度與綠泥綠簾石英片巖一致,但其均呈NW—SE向穿過地質體構造特征明顯,因此可以將兩者區(qū)分開。在藍片巖地質體南部上覆一套不整合地層,根據野外巖石樣品52可知巖性為紅色砂巖夾碳酸鹽巖,兩者不僅在Ib和Im影像中界限明顯,且在可見光影像下也容易區(qū)分。根據以上分析,得到阿克蘇群藍片巖的精細解譯(圖7)。
圖7 綜合利用各種礦物指數的阿克蘇藍片巖區(qū)解譯圖Fig.7 Interpretation map of Akesu blueschist with all kinds ot minerals index
圖7顯示幾條NW—SE向平行的輝綠巖脈呈近似垂直地侵入綠泥綠簾石英片巖中,表明阿克蘇藍片巖受NW—SE方向作用力的強烈擠壓,內部出現垂直于地層走向的伸展型張節(jié)理,被輝綠巖侵入填充。另外,阿克蘇藍片巖北部呈發(fā)散狀向南轉折,整體形態(tài)在平面上呈一個彎鉤狀的褶皺。圖1中各地層均呈NE—SW走向,類似于一套簡單的單斜地層,與本文熱紅外影像劃分結果相悖。對于該現象,在Ib圖(圖6)北東截取了一部分進行局部放大分析。如圖8所示:A處近于為褶皺轉折部位的轉折端,從翼部到轉折端,其厚度明顯增加,由幾套緊密的綠泥綠簾石英片巖地層到與白云母石英片巖互層構成,而東邊的翼部則整體減薄、甚至消失,僅在圖B和C處可以間或看到綠泥綠簾石英片巖地層呈現透鏡體出露。在高分辨率遙感圖像(圖9)上,更加清晰地呈現了褶皺及其翼部的強烈變形。
Liou等[21]將阿克蘇藍片巖地質體分為南北兩個帶,北部以變基性片巖為主,而南部以含多硅白云母礦物等長英質片巖為主。由圖7可知,阿克蘇地質體北部和北東部均有基性(綠泥綠簾石英片巖)地層,在其北部出現了基性地層的不連續(xù)性,而在北東部分出現了由于強烈擠壓作用而形成的褶皺,表明地質體南部和北部所受NW—SE向的壓力大小不同,并且南部壓力較北部大。這與黃文濤等[18]根據多硅白云母壓力計算結果發(fā)現地質體南部受到的壓力大于北部類似。
圖8 褶皺轉折端及兩翼Ib影像圖Fig.8 Fold hinge and limb in Ib image
圖9 綠泥綠簾石英片巖高分辨率影像圖像Fig.9 High resolution image of chlorite epidote quartz schist
1)本文依據不同巖石在熱紅外波段范圍內具有不同的發(fā)射率特征,建立了適用于阿克蘇地區(qū)巖性劃分的指數模型,可為相關研究提供參考。對于阿克蘇地區(qū)而言,白云母片巖類巖石的發(fā)射率在ASTER波段B13和B14處較B10和B12處高,據此建立的白云母指數可以提取含有白云母的巖性;綠泥綠簾片巖類熱紅外發(fā)射率在10.50 μm處有一個明顯的RF發(fā)射特征,據此建立基性指數提取綠泥綠簾片巖類巖性。
2)根據巖性劃分結果,發(fā)現阿克蘇藍片巖中軸跡線方向為NE—SW的褶皺構造,填補了前人僅在此處所認識的單斜地層的不足。熱紅外遙感數據可發(fā)現在可見光譜段遙感數據上不明顯的地層延伸與空間展布特征,對區(qū)域基礎地質填調查以及構造分析具有很大的幫助。
[1] Bhadra B K, Pathak S, Karunakar G, et al. ASTER Data Analysis for Mineral Potential Mapping Around Sawar-Malpura Area, Central Rajasthan[J]. Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 2013, 41(2): 391-404.
[2] Lyon R J P. Evaluation of Infrared Spectrophotometry for Compositional Analysis of Lunar and Planetary Soils[J]. Tissue Antigens, 1963, 27(3): 142-146.
[3] 傅碧宏,丑曉偉. 塔里木盆地柯坪隆起典型沉積巖類的熱紅外光譜特征研究[J]. 沉積學報, 1994, 12(4): 95-100.
Fu Bihong, Chou Xiaowei. Study of Thermal Infrared Spectra Features of Typical Sedimentary, Rocks from Kalpin Uplift in Tatim Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 1994, 12(4): 95-100.
[4] Hunt G R, Salisbury J W. Mid-Infrared Spectral Be-havior of Igneous Rocks[C/OL]// Rasmussen J E, McLain R J, Turtle J P. Environmental Research Papers Air Force Cambridge Research Labs. [2016-09-20]. http://adsabs.harvard.edu/ abs/1976erp..rept.....H.
[5] Christensen P R, Bandfield J L, Hamilton V E, et al. A Thermal Emission Spectral Library of Rock-Forming Minerals[J]. Journal of Geophysical Research Planets, 2000, 105(E4): 9735-9739.
[6] Ninomiya Y, Fu B H. Extracting Lithologic Informa-tion from ASTER Multispectral Thermal Infrared Data in the Northeastern Pamirs[J]. Xinjiang Geology, 2003, 21(1): 22-30.
[7] Ninomiya Y, Fu B, Cudahy T J. Detecting Lithology with Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) Multispectral Thermal Infrared “Radiance-at-Sensor” Data[J]. Remote Sensing of Environment, 2005, 99(1/2): 127-139.
[8] 閆柏琨. 熱紅外遙感巖礦波譜機理及信息提取技術方法研究[D]. 北京:中國地質大學(北京), 2006.
Yan Bokun. Study on Mechanism of Spectrums of Rocks and Minerals and Information Extraction Method in Thermal Remote Sensing Geology[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2006.
[9] 包平,張志,王少軍. 結合實測光譜的ASTER數據巖性識別方法:以西昆侖其木干二長花崗巖提取為例[J]. 地質科技情報, 2015, 34(3): 214-219.
Bao Ping, Zhang Zhi, Wang Shaojun. Lithological Identification Method of ASTER Data by Combining with Field Measured Spectra: A Case Study on the West Kunlun Qimugan Monzonitic Granite[J]. Geological Science & Technology Information, 2015, 34(3): 214-219.
[10] 陳圣波,于亞鳳,楊金中,等. 基于實測光譜指數法的ASTER遙感數據巖性信息提取[J]. 吉林大學學報(地球科學版), 2016, 46(3): 938-944.
Chen Shengbo, Yu Yafeng, Yang Jinzhong, et al. Lithologic Information Extraction from ASTER Remote Sensing Data Based on Spectral Ratio Method[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2016, 46(3): 938-944.
[11]Rowan L C, Mars J C. Lithologic Mapping in the Mountain Pass, California Area Using Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) Data[J]. Remote Sensing of Environment, 2003, 84(3): 350-366.
[12]Rowan L C, Mars J C, Simpson C J. Lithologic Mapping of the Mordor, NT, Australia Utramafic Complex by Using the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)[J]. Remote Sensing of Environment, 2005, 99(1/2): 105-126.
[13] 鄭碩,付碧宏. 基于ASTER SWIR-TIR多光譜數據的西準噶爾花崗巖類巖性信息提取與識別:以克拉瑪依巖體為例[J]. 巖石學報, 2013, 29(8): 2936-2948.
Zheng Shuo, Fu Bihong. Lithological Mapping of Granitiods in the Western Junggar from ASTER SWIR-TIR Multispectral Data: Case Study in Karamay Pluton, Xinjiang[J]. Acta Petrologica Sinica, 2013, 29(8): 2936-2948.
[14]Gillespie A, Rokugawa S, Matsunaga T, et al. A Temperature and Emissivity Separation Algorithm for Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) Images[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 1998, 36(4): 1113-1126.
[15] 張立飛,姜文波,魏春景,等. 新疆阿克蘇前寒武紀藍片巖地體中迪爾閃石的發(fā)現及其地質意義[J]. 中國科學:地球科學, 1998, 8(6): 539-545.
Zhang Lifei, Jiang Wenbo, Wei Chunjing, et al. The Discovery of Diramphibole in Xinjiang Akesu Precambrian Schist Terrane and Its Geological Significance[J]. Science in China(Series D), 1998, 8(6): 539-545
[16] Liou J G, Graham S A, Maruyama S, et al. Pro-terozoic Blueschist Belt in Western China: Best Documented Precambrian Blueschists in The World[J]. Geology, 1990, 17(12): 1127-1131.
[17] Hunt G R, Salisbury J W. Mid-Infrared Spectral Be-havior of Metamorphic Rocks[J]. Environ Res Pap, 1974, 496: 142.
[18] 黃文濤,于俊杰,鄭碧海,等. 新疆阿克蘇前寒武紀藍片巖中多硅白云母的研究[J]. 礦物學報, 2009, 29(3): 338-344.
Huang Wentao, Yu Junjie, Zheng Bihai, et al. Study on Phengite in Aksu Precambrian Blueschists, Xinjiang[J]. Acta Mineralogica Sinica, 2009, 29(3): 338-344.
[19] Farmer V C. The Infrared Spectra of Minerals[M]. London: Mineralogical Society, 1974: 331-364.
[20] 張志勇,朱文斌,舒良樹,等. 新疆阿克蘇地區(qū)前寒武紀藍片巖構造-熱演化史[J]. 巖石學報,2008, 24(12): 2849-2856.
Zhang Zhiyong, Zhu Wenbin, Shu Liangshu, et al. Thermo-Eectonic Evolution of Precambrian Blueschists in Aksu, Northwest Xinjiang, China[J]. Acta Petrologica Sinica, 2008, 24(12): 2849-2856.
[21] Liou J G, Graham S A, Maruyama S, et al. Charac-teristics and Tectonic Significance of the Late Proterozoic Aksu Blueschists and Diabasic Dikes, Northwest Xinjiang, China[J]. International Geology Review, 1996, 38(3): 228-244.